李武東 朱志亮

（上海化工研究院國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心)

汽提法處理稀土行業(yè)高濃度氨氮廢水模擬計(jì)算

李武東*朱志亮

（上海化工研究院國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心)

針對(duì)汽提法處理稀土行業(yè)高濃度氨氮廢水，選用電解質(zhì)NRTL熱力學(xué)方法進(jìn)行模擬計(jì)算，分析并討論了pH值對(duì)氨氮去除率的影響，以及進(jìn)料溫度和理論板數(shù)對(duì)汽提能耗和氨水產(chǎn)品濃度的影響。確定了較好的模擬計(jì)算條件：原水預(yù)熱溫度為70℃，理論板數(shù)為8塊。模擬計(jì)算結(jié)果與開車數(shù)據(jù)吻合良好。

汽提 氨氮廢水 模擬計(jì)算 分離

0 前言

2011年3月1日，環(huán)保部發(fā)布針對(duì)稀土工業(yè)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)——《稀土工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 26451—2011），將于2011年10月1日起實(shí)施，其中規(guī)定現(xiàn)有企業(yè)氨氮排放限值25 mg/L，新建企業(yè)氨氮排放限值15 mg/L。

稀土冶煉分離過程中投入大量氨水進(jìn)行皂化，排放不同濃度的氨氮廢水[1]。目前除少量質(zhì)量濃度大于10%的氨氮廢水通過直接蒸發(fā)結(jié)晶回收銨鹽外，其它都直接排放進(jìn)入水體，造成水體嚴(yán)重的富營養(yǎng)化。因此，進(jìn)行稀土氨氮廢水的研究及治理已成當(dāng)務(wù)之急。

氨水汽提、吹脫在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于中高濃度氨氮廢水預(yù)處理[2-4]，去除效果較好，處理費(fèi)用相對(duì)較低，相對(duì)于其它處理方法更經(jīng)濟(jì)可行。但是一般情況下，通過一級(jí)吹脫后，出水中氨氮濃度降為100～336 mg/L[5-7]，仍不能達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)然，可以采用二級(jí)吹脫加反滲透工藝進(jìn)一步降低廢水中氨氮、COD、Cl-濃度,使廢水達(dá)標(biāo)排放，但是這就明顯增加了處理成本，并且塔頂仍然會(huì)帶來二次污染。本文中應(yīng)用的汽提工藝，一次排放廢水氨氮含量可降至10 mg/L以下，節(jié)能降耗效果顯著，且沒有二次污染，實(shí)現(xiàn)無嗅排放。

本文將對(duì)汽提工藝處理稀土行業(yè)高濃度氨氮廢水進(jìn)行模擬計(jì)算與優(yōu)化。

1 汽提原理

1.1 原水前處理

稀土廢水氨氮濃度高是由于含氮可生化有機(jī)組分的厭氧水解和發(fā)酵所致，并以而不是以游離氨的形式存在于廢水中。用汽提法去除4，需首先調(diào)節(jié)廢水的pH值，破壞其在廢水中的化合或絡(luò)合狀態(tài)，使之轉(zhuǎn)化為游離氨，即

1.2 汽提原理

氨汽提主要基于氣液相平衡原理。氨-水體系氣液相平衡組成[8]如表1所示。

表1 氨-水體系氣液相平衡組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù) （%）

由表1可以看出，隨著壓力的降低，平衡體系液相中氨的濃度逐漸降低，說明與之平衡的氣相中氨的分壓也隨之減小。氨汽提本質(zhì)就是利用蒸汽汽提的物理作用，即在高pH值時(shí)，使廢水與蒸汽密切接觸從而降低廢水中氨的濃度，過程的推動(dòng)力是蒸汽中氨的分壓、與廢水中氨濃度相當(dāng)?shù)钠胶夥謮簝烧叩膲翰?。蒸汽與廢水充分接觸，兩分壓之差使廢水中溶解氣體NH3穿過氣液界面，向氣相擴(kuò)散，從而達(dá)到降低廢水中氨氮濃度的目的。

2 模擬計(jì)算

選取合適的模型和熱力學(xué)方法，模擬計(jì)算某稀土公司含氨氮廢水汽提工藝過程。

2.1 氣液相平衡計(jì)算

1968年Renon和Prausnitz[9]提出NRTL(Non-Random-Two-Liquid)有序雙液方程，該方程從局部濃度概念出發(fā)獲得一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)方程。它的優(yōu)點(diǎn)是不但在關(guān)聯(lián)強(qiáng)極性物系時(shí)效果較好，更主要的是可以從二元體系的關(guān)聯(lián)參數(shù)直接計(jì)算多元體系，而不必引入多元體系特有的參數(shù)。NRTL方程不僅適用于氣液相平衡的計(jì)算，而且也可用于液液平衡二組分活度系數(shù)的計(jì)算，所以它適用于部分互溶體系。

NRTL方程對(duì)酮、醇、醚體系均有較高的預(yù)測精度。對(duì)于含水系統(tǒng)，NRTL方程通常比其他方程擬合得更好[10]。

由于氨氮廢水中常含有一定的鹽類，因此本文選用電解質(zhì)NRTL活度系數(shù)模型計(jì)算氨水汽提過程中的氣液相平衡，其中液相活度系數(shù)采用電解質(zhì)NRTL模型，氣相則采用RK狀態(tài)方程描述逸度系數(shù)。

我們采用RK狀態(tài)方程來計(jì)算氣相的相關(guān)熱力學(xué)特性參數(shù)，它一般應(yīng)用于低壓至中等壓力 （最大壓力為1 013.25 kPa）的場合。

RK模型的方程形式為：

式中R——摩爾氣體常數(shù)，其值為8.314 4 J/(mol·K)；

p、T、Vm——分別為壓力、絕對(duì)溫度、摩爾體積；

a、b——均為物質(zhì)的特征參數(shù)，a是分子間的引力對(duì)p的校正項(xiàng)，b則是考慮分子本身體積的校正項(xiàng)；xi——組分的摩爾分率，下標(biāo)i表示組分；

Tci、pci—— 分別為組分i的臨界溫度、臨界壓力。

2.2 工藝流程

模擬計(jì)算的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 氨氮廢水汽提工藝流程

流程說明：進(jìn)料原水先與塔底排放廢水換熱，并被預(yù)熱至70℃左右從塔頂部進(jìn)汽提塔，蒸汽從底部進(jìn)塔。塔頂氣相經(jīng)多級(jí)變溫吸收系統(tǒng)，最終吸收濃縮制得10%～18% （質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）以上的氨水，塔底排放合格的廢水。

2.3 原水組成

表2所示為某稀土企業(yè)的氨氮廢水組成，本文以此為進(jìn)料，進(jìn)行模擬計(jì)算。

表2 某稀土氨氮廢水組成

3 優(yōu)化分析

3.1 進(jìn)料溫度對(duì)氨水產(chǎn)品濃度和過程能耗的影響其它條件不變，僅改變?cè)M(jìn)塔溫度，計(jì)算其對(duì)蒸汽消耗和氨水濃度的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，原水預(yù)熱溫度越高，蒸汽消耗和氨水產(chǎn)品濃度越小?？紤]到塔底排放廢水溫度約為

105℃，且氨水產(chǎn)品質(zhì)量濃度不低于15%，因此一般選擇原水進(jìn)料溫度在70～80℃左右，此時(shí)氨水產(chǎn)品質(zhì)量濃度一般為15%～16%。

3.2 理論板數(shù)對(duì)氨水產(chǎn)品濃度和過程能耗的影響在工藝要求不變，即塔底排放廢水達(dá)標(biāo) （氨氮含量為10 mg/L）的情況下，改變模擬計(jì)算中理論板數(shù)，考察理論板數(shù)的變化對(duì)蒸汽消耗和氨水產(chǎn)品濃度的影響。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出：隨著理論板數(shù)從2塊增加到10塊，蒸汽消耗不斷減?。划?dāng)理論板數(shù)從10塊增加到20塊時(shí)，蒸汽消耗僅下降了42.5 kg/h，說明再增加理論板數(shù)的節(jié)能效果已不明顯；此時(shí)氨水產(chǎn)品質(zhì)量濃度僅僅由15.64%增加到16.36%。因此，一般考慮選擇8塊理論板進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果

前述模擬優(yōu)化分析確定的條件是原水預(yù)熱溫度70℃、理論板數(shù)8塊，以此條件進(jìn)行模擬計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

3.4 模擬計(jì)算結(jié)果與開車結(jié)果對(duì)照

模擬計(jì)算結(jié)果與開車結(jié)果對(duì)照如表4所示。

由表4可看出：模擬計(jì)算結(jié)果其主要工藝指標(biāo)如塔頂溫度、進(jìn)料中氨含量和排放水中氨氮含量等都與開車數(shù)據(jù)比較接近，并且開車過程蒸汽單耗較模擬計(jì)算值低。因此總體來說，模擬計(jì)算值與開車實(shí)際數(shù)據(jù)吻合良好，可以為工廠實(shí)際開車或生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

表3 模擬計(jì)算結(jié)果

表4 模擬計(jì)算結(jié)果與開車結(jié)果 [11]對(duì)照

4 結(jié)論

本文使用Aspen Plus流程模擬軟件，選擇電解質(zhì)NRTL熱力學(xué)方法，對(duì)汽提法處理稀土行業(yè)高濃度氨氮廢水工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析并討論了pH值對(duì)氨氮去除率的影響，以及進(jìn)料原水預(yù)熱溫度和理論板數(shù)對(duì)汽提蒸汽消耗和氨水產(chǎn)品濃度的影響。確定了合適的模擬計(jì)算條件：原水預(yù)熱溫度為70℃，理論板數(shù)為8塊。模擬計(jì)算值與開車實(shí)際數(shù)據(jù)吻合良好。

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Simulation on Treatment of High Concentration Ammonia Nitrogen Wastewater by Stripping in Rare Earth Industry

Li Wudong Zhu Zhiliang

In simulation of the stripping treatment of high concentration ammonia nitrogen wastewater in rare earth industry,the electrolyte NRTL thermodynamic methods was chosen,the influence of the change of pH value to the removal rate of ammonia nitrogen,and the influence of the feed temperature and the number of theoretical plates to the gas consumption and the ammonia product concentration were analyzed and discussed.A good simulation condition was determined:water preheating temperature was 70℃,8 theoretical stages.The calculating result showed a good agreement with the operating data.

Stripping;Ammonia nitrogen wastewater;Simulation;Separation

TQ 028?

*李武東，男，1983年生，碩士，助理工程師。上海市，200062。

2011-08-04）